材料とプロセス Composites fibers and resins

製造における複合材料の現代的な使用は新しいものではなく、数十年に及び、古くは1960年代初頭にまでさかのぼります。 そしてそれ以前にも、繊維と液体マトリックスとの組み合わせは、試行錯誤の末の乾燥泥やわら（アドビレンガ）から、Ford Motor 社が開発したコンセプト カーまで、さまざまな用途で採用されてきました。 (米国ミシガン州デトロイト) が 1941 年に開発した天然繊維強化複合材を使用したボディ パネルを特徴とするコンセプト カーまで、さまざまな用途に使用されています。

にもかかわらず、スチール、アルミニウム、鉄、チタンなどのレガシー材料と比較して、複合材はまだ生まれたばかりで、設計および製造エンジニアによってようやく理解されてきているところです。 さらに、複合材料は非等方性であるため、モデル化やシミュレーションが困難であるという問題がある。 しかし、複合材料の物理的特性は、比類ない軽量性と相まって、紛れもなく魅力的なものとなっています。 以下は、コンポジット製造に通常使用される繊維と樹脂についての入門書です。

優れた特性

高強度と低重量の組み合わせは、複合材料を新しい分野へと推進する上で依然として重要ですが、他の特性も同様に重要です。 複合材料は、優れた振動減衰と低い熱膨張係数 (CTE) を提供し、特殊な用途向けに設計することができる特性を持っています。 複合材料は疲労に強く、設計や製造の柔軟性があるため、特定の用途に必要な部品点数を大幅に削減することができます。 また、複合材料は極端な温度や腐食、摩耗に対する耐性も実証されており、特に工業分野では、これらの特性が製品のライフサイクルコストの削減に大きく貢献する。 これらの特性により、複合材料は広く使用されるようになりました。 たとえば、燃費と効率を追求するあまり、自転車から大型民間航空機まで、ほとんどすべての機械的輸送手段で軽量化が優先されるようになりました。 米国）の787ドリームライナー（重量比50%、空力表面は100%複合材）が生産に入り、2009年12月に初飛行に成功して以来、複合材は航空宇宙の一次および二次構造に入り込み、航空宇宙の世界で航空機内部でより大きな位置を占めるようになっています。 787はその後、民間輸送機のライバルであるエアバス社（フランス・トゥールーズ）等の複合材を多用した航空機が世界で脚光を浴びるようになった。 2015年の夜明けとともに、52％複合材のエアバスA350 XWBが初めて納入された。 そして、エアバスは以前、超大型旅客機A380や軍用輸送機A400Mにも複合材を組み込んでいる。 この4つのプログラムは、一般的な航空航空機市場も追い越し、軍用機製造でも長く続いてきた、待望の変革の現在の成就と言えるでしょう。 ますます多様化する素材形態、豊富な成形・成型工程で製造可能な素材は、世界中の製造現場で脚光を浴びている、あるいは浴びようとしているのです。

決定的に異なる材料

複合材料が従来の材料と異なる点は、複合部品が、繊維とマトリックス材料（多くの場合、ポリマー樹脂）という 2 つの明確に異なる成分から構成され、組み合わせると、分離したまま相互に機能して新しい材料を作り、その特性を単に成分の特性の合計で予測することができない点です。 実際、繊維と樹脂の組み合わせの大きな利点のひとつは、その相補的な性質にある。 例えば、細いガラス繊維は比較的高い引張強度を示すが、傷つきやすいという欠点がある。 一方、高分子樹脂は、引張強度は弱いが、非常に強靭で可鍛性に富むものが多い。

複合材料の構造特性は主に繊維補強に由来します。 自動車部品、ボート、消費財、耐腐食性工業部品などの大きな市場向けの商業用複合材料は、多くの場合、不連続でランダムに配向したガラス繊維、または連続だが無配向の繊維形態で作られています。 当初は軍事航空宇宙市場向けに開発された高度な複合材料は、従来の構造金属よりも優れた性能を発揮し、現在では通信衛星、航空機、スポーツ用品、輸送、重工業、石油・ガス探査や風力タービン建設などのエネルギー部門に応用されている。

高性能複合材料は、加工性を促進し、剛性や耐薬品性などの機械的特性を高めるマトリックスに、最も一般的には炭素、アラミド、ガラスなどの連続配向した高強度繊維を強化することでその構造特性を導き出すものです。

繊維の配向を制御できることは、あらゆる用途で性能を向上できる要因です。 たとえば、複合ゴルフ クラブ シャフトでは、複合シャフト内で異なる角度で配向したボロン繊維と炭素繊維により、それらの強度および剛性特性を最大限に活用し、トルク負荷および複数の曲げ、圧縮、引張力に耐えることができるようになります。 商用および高性能航空宇宙用途の複合材料に最も広く使用されているポリマーマトリックスは熱硬化性樹脂であり、触媒と混合するか、熱にさらすか、またはその両方を行うと永久的に硬化して架橋ネットワークになるポリマー鎖で構成されています。 硬化は通常、オーブンや真空バッグ、またはオートクレーブの中で、高温・高圧の条件下で行われます。

他に最もよく使われるマトリックスタイプは熱可塑性（TP）樹脂で、複合材料メーカーにとってますます人気のある選択肢になっていることが証明されています。 熱可塑性線状ポリマー鎖は形成され、材料を溶融または軟化させてから冷却することにより、形のある固形物に改質することができます。 シートやパネルの形で販売されることが多い熱可塑性樹脂は、その場でプレス成形などの圧密加工を行うことができ、熱硬化性樹脂のようにオートクレーブや真空バッグによる硬化を必要とせず、丈夫でニアネットシェイプの部品を作ることができます。

ガラス繊維

複合材料産業で使用される全繊維の大部分はガラスです。 ガラス繊維は最も古く、ほとんどの最終市場アプリケーション（航空宇宙産業は重要な例外）で、より重い金属部品の代わりに使用される最も一般的な補強材です。 ガラス繊維は、2番目に多い強化材である炭素繊維よりも重く、剛性もそれほど高くありませんが、耐衝撃性に優れ、破断伸びも大きくなります（つまり、破断するまでに大きく伸びるということです）。

ガラスフィラメントはストランドという束で供給されます。 ストランドは連続したガラスフィラメントの集合体です。 ロービングは一般に、撚りのないストランドを束ねたもので、糸のように大きなスプールに梱包されたものを指します。 片端ロービングは、ストランドの長さ方向に連続した複数のガラスフィラメントからなるストランドです。 多端ロービングは、長さはあるが完全には連続していないストランドで、スプールの工程で千鳥配列で追加または削除される。

高性能繊維

高度な複合材料に使用される高性能繊維には、炭素繊維、アラミド繊維（ケブラーおよびトワロンの商品名で知られている）、ボロン繊維、高弾性ポリエチレン（PE）、ポリ p-フェニレン-2、6-ベンゾビスイソクタゾール（PBO）などの新しい繊維や、その複合体が含まれています。 ケブラーはデュポン・プロテクション・テクノロジー社（米国バージニア州リッチモンド）の製品である。

炭素繊維-高性能用途ではるかに広く使われている繊維-は、ポリアクリロニトリル（PAN）、レーヨン、ピッチなどさまざまな前駆物質から製造されます。 前駆体繊維を化学的に処理し、加熱・延伸した後、炭化させて高強度繊維を製造する。 最初に市場に出た高性能炭素繊維は、レーヨン前駆体から作られたものだった。 現在では、PAN系やピッチ系の繊維が、ほとんどの用途でレーヨン系繊維に取って代わっている。 PAN系炭素繊維は、最も汎用性が高く、広く使用されている。 1,000ksiまでの優れた強度と高い剛性など、驚くほど幅広い特性を持っている。 石油やコールタールのピッチから作られるピッチファイバーは、剛性が高いか非常に高く、軸方向の熱膨張係数（CTE）は低いかマイナスです。 この熱膨張係数の特性は、電子機器のハウジングなど、熱管理が必要な宇宙船の用途で特に有効である。 炭素繊維の特性は、パルプや紙の廃棄物から得られるリグニンなど、より安価な代替前駆体材料の探索を刺激している。

炭素繊維はガラス繊維やアラミド繊維よりも強いのですが、耐衝撃性に劣るだけでなく、金属と接触すると電解腐食することがあります。

高性能炭素繊維の基本繊維形態は、トウと呼ばれる連続繊維の束です。 炭素繊維のトウは数千本の連続した撚りのないフィラメントからなり、フィラメント数は数字の後に1000倍を示す「K」が付きます（例えば、12Kはフィラメント数12000を表します）。

アラミド繊維は芳香族ポリアミドから形成され、優れた耐衝撃性と優れた伸び（カーボンより高く、ガラスより低い）を提供します。 標準的な高性能アラミド繊維は、約20Msiの弾性率、約500ksiの引張強度、およびほぼ3%の伸びを有しています。 防弾チョッキやその他の装甲・弾道アプリケーションでの性能で知られるアラミド繊維は、法執行機関や軍事市場における人員保護や装甲の必要性から、一部で需要が高まっています。

ボロン繊維は、スチールの5倍の強度と2倍の剛性を持っています。 ボロンは強度、剛性および軽量性を提供し、優れた圧縮特性および耐座屈性を有しています。 ボロン複合材の用途は、釣り竿、ゴルフ クラブ シャフト、スキー、自転車フレームなどのスポーツ用品から、航空機のエンペラージ スキン、トラス部材、プレハブ航空機修理パッチなどさまざまな航空宇宙用途まで、多岐にわたっています。

高性能繊維の高いコストは、その高いコストが、これらの材料がプロジェクトにもたらすより大きな性能、耐久性、設計の自由によっていかに軽減され、結果としてそれらのメリットが主要指標、ライフサイクル コストにプラスの影響を与えるかをメーカーが検討しない場合は、その選択の妨げとなることがあります。 これは特に炭素繊維に当てはまります。炭素繊維の選択は、歴史的に炭素繊維の需要と供給の大幅な変動によって複雑になっています。

熱硬化性樹脂

複合材料に最も広く用いられているポリマーは熱硬化性樹脂で、プラスチック樹脂の一種で、熱および/または化学（触媒または促進剤）または他の手段によって硬化すると、大幅に浸透して不溶性となるものです。 熱硬化性樹脂は、硬化後、未硬化状態に戻すことができない。 現在、商業的に使用されている熱硬化性樹脂のほとんどは石油を原料としていますが、バイオ樹脂の分野でも研究開発と商業化が進められています。 主に再生可能な農業用原料を使用するために開発されたバイオ樹脂は、さまざまな割合でポリオール（大豆由来）とエタノール（トウモロコシ由来）を含んでいます。

不飽和ポリエステル樹脂は、取り扱いが簡単で機械特性、電気特性、化学特性のバランスがよく、比較的安価なため、商業的、大量生産の用途で最も広く使われている熱硬化性樹脂です。 (一般的にガラス繊維強化材と組み合わせることで、ポリエステルは様々な製造プロセスに適応し、オープンモールドスプレーアップ、圧縮成形、樹脂トランスファー成形（RTM）、鋳造に最もよく使用されています。 ポリエステルの特性は、グリコールや酸、反応性モノマー（最も一般的なのはスチレン）の選択により、特定の性能基準に適合するように変更することが可能です。 スチレンは粘度を下げるために最大50%まで添加され、樹脂の取り扱いと加工を容易にします。

ビニルエステル樹脂は低コストで急速硬化し加工しやすいポリエステルと高性能エポキシ樹脂（後述）の間の橋渡し役として使用されています。 分子構造はポリエステルとよく似ているが、反応部位が分子鎖の末端にしかなく、エステル基の数も少ない。 エステル基は加水分解されやすいため、エステル基が少ないほど水や化学的腐食環境に対する耐性が高くなり、その分価格が高くなる。 耐食性を重視する薬液タンクなどに好んで使われるほか、高い耐湿性を必要とする構造用積層板（船体やデッキなど）でも付加価値が高い。

高度な複合材料のマトリックスとして、最も一般的な熱硬化性樹脂はエポキシ、フェノール、シアネートエステル（CE）、ビスマレイミド（BMI）、ベンゾオキサジン、ポリイミドなどです。

エポキシ樹脂は複合材料に強度、耐久性および耐薬品性を与えます。 高温で高い性能を発揮し、ホット/ウェットサービス温度は121°Cまで可能です。 エポキシ樹脂は液体、固体、半固体の形態があり、通常、アミンまたは無水物との反応により硬化します。 エポキシ樹脂は、ポリエステル樹脂のように触媒で硬化させるのではなく、硬化剤（キュアエージェントともいう）を使用する。 硬化剤（B部）とベース樹脂（A部）は一定の比率で「付加反応」して共重合する。 従って、樹脂と硬化剤の混合比を正しくして、完全に反応させることが重要です。 そうでないと、樹脂は完全に硬化せず、その特性も十分に発揮されません。 ボーイング社の 787 ドリームライナーやエアバス A350 XWB などの高率複合機では、高度な架橋による脆さを打ち消すために熱可塑性プラスチックや反応性ゴム化合物を加えた強化エポキシが主流になっています

フェノール樹脂は芳香族アルコールとフェノールなどのアルデヒド、およびホルムアルデヒドとの組み合わせがベースになっています。 航空機の難燃性内装パネルや、低コストで難燃性、低発煙性の製品を必要とする業務用市場に適用されています。 優れた炭化収率とアブレーション（熱吸収）特性により、フェノールはアブレーションやロケットノズルの用途で長く愛用されてきた。 また、非航空宇宙分野でも、特にオフショア石油・ガスプラットフォーム用部品や、大量輸送機関、電子機器などの用途で成功を収めている。 しかし、フェノール樹脂は縮合反応によって重合するため、硬化時に水蒸気とホルムアルデヒドが発生する。 この現象は、複合材にボイドを発生させる可能性がある。 その結果、フェノール樹脂の機械的特性は、エポキシ樹脂や他の多くの高機能樹脂に比べて、やや劣る。

Cyanate Esters (CEs) は、優れた強度と靭性を提供し、非常に低い吸湿性を許容し、他のポリマーマトリクスと比較して優れた電気特性を有する多目的マトリクスですが、これらの利点には高いコストが伴います。 CEは149℃までの高温／低温での使用が可能で、通常、熱可塑性プラスチックや球状ゴム粒子で強化されている。 エポキシ樹脂と同様の加工が可能ですが、CEの粘度プロファイルと揮発性物質が少ないため、硬化工程はよりシンプルになります。

よりエキゾチックな樹脂として、ビスマレイミドとポリイミド（化学的には近縁）が、航空機やミサイルの高温用途（たとえば、ジェットエンジンナセル部品）で使用されています。 BMIは高温/湿潤での使用温度（232℃まで）を提供し、一部のポリイミドは短時間であれば371℃まで使用可能である。 硬化中に放出される揮発性物質や水分は、エポキシやCEよりもポリイミドを扱いにくくします。ボイドや剥離を低減または除去するために、特別な配合と加工技術が開発されてきました。 BMIもポリイミドも、従来はCEやエポキシに比べて吸湿性が高く、靭性が低かったが、近年は靭性の高い配合が進み、BMIはエポキシよりも耐液性に優れていると言われるようになった。 BMIの使用が増加しているのは、使用温度が177℃を超える工具や用途だけでなく、80℃から120℃といった中温でのホット/ウェットおよび開孔圧縮（OHC）性能の向上を必要とする構造での複合材料の使用が増加しているためである。 これは、F-35 Lightning II 戦闘機に多く使用されている理由であり、エポキシ樹脂よりも低い質量で損傷に強い構造を実現することができます。

熱可塑性樹脂

架橋型の熱硬化性樹脂は硬化反応が元に戻らないのに対し、熱可塑性樹脂は冷却すると硬化するが可塑性を保つ、つまり加工温度以上で再加熱すれば溶け、再成形が可能な樹脂である。 安価な熱可塑性プラスチックマトリックスは、加工温度は低いが、使用温度も限定されている。 ポリエチレン（PE）、ポリエチレンテレフタレート（PET）、ポリブチレンテレフタレート（PBT）、ポリカーボネート（PC）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ABS）、ポリアミド（PAまたはナイロン）およびポリプロピレン（PP）などのエンジニアリングおよび汎用プラスチックから選択される。 運動靴、装具、医療用人工関節などの大量生産される商用製品は、これらの樹脂の強靭さと耐湿性の恩恵を受け、自動車のエアインテークマニホールドなどのアンダーフード部品も同様です。

高性能熱可塑性樹脂であるポリエーテルエーテルケトン（PEEK）、ポリエーテルケトン（PEK）、ポリアミドイミド（PAI）、ポリアリルサルホン（PAS）、ポリエーテルイミド（PEI）、ポリエーテルサルホン（PES）、ポリフェニレンサルファイド（PPS）と液晶ポリマー（LCP）は高温環境でもよく働き、硬化後は水分を吸収したり湿気で分解したりしないので、その性能も優れています。 高性能繊維で強化されたこれらの樹脂は、冷蔵しなくてもプリプレグの保存期間が長く、優れた耐衝撃性と振動減衰性を持っている。

しかしながら、比較的高い粘度のため、複合材料メーカーにいくつかの加工上の課題を与える可能性があります。